焊接残余应力产生原因分析及消除方法
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[摘 要]焊接残余应力是指在焊接后，无外力作用下，存在于工件内部并实现互相平衡的内应力。机械加工和强化工艺都能引起残余应力，如焊接、冷拉、弯曲、切削加工、滚压、喷丸、铸造、锻压和金属热处理等。残余应力一般是有害的，如零件在不适当的热处理、焊接或切削加工后，会因残余应力而发生翘曲或扭曲变形，甚至开裂。基于此，本文主要对焊接残余应力产生原因分析及消除方法进行了简要的分析，希望可以为相关工作人员提供一定的参考。
[关键词]焊接残余应力；产生原因；消除方法
中图分类号：J62.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）04-0245-01
引言
焊接工艺是工业制造加工与设备安装中不可或缺的工艺技术，在工业制造加工与设备安装施工中占据重要地位。随着社会经济的不断发展以及生产加工技术的不断创新，焊接逐渐呈现出高精度、大规模、高标准的发展态势。对此，在焊接过程中，如何实现焊接应力与焊接变形的有效控制成为相关工作人员关注与研究的重点。
1焊接残余应力概述
焊接作为船舶制造业的重要组成工艺，是运用加热等方式，将构件通过焊丝不可拆除地连接在一起的加工工艺。由于瞬时高热量，构件在焊接过程中和焊接后将产生相当大的残余应力和变形，不但可能引起焊缝完全断裂，还会使船体结构强度变低。所以，了解焊接残余应力的作用规律，懂得焊接残余应力的消除方法对船舶的设计建造有着重要意义。
焊接残余应力和变形是指随焊接热过程和冷却过程焊接材料和焊接结构随体积变化而出现相应变化的内应力和变形，焊接应力一般有以下三种：（1）纵向残余应力（平行于焊缝方向）。焊缝中部为高的拉伸应力，其峰值可以达到屈服极限，而焊缝两端引弧和熄弧为下降的压缩应力。（2）横向残余应力（垂直焊缝方向），是由焊缝及其附近塑性变形区纵向收缩引起的焊接残余应力以及焊缝及其附近塑性变形区收缩的不同时性所引起的残余应力的综合。（3）厚度方向的残余应力。通常来说，当板厚超过一定厚度或采用多层焊接时，由于焊接时沿厚度方向内部比表面冷却缓慢或经过多次的焊接热过程，会引起厚度方向的残余应力。
2焊接残余应力产生原因分析
材料构件中的残余应力可以通过多种方式产生，比如锻造和轧制等制造过程在元件中引入的残余应力，又如通过焊接等技术将当多个组分结合在一起形成更大的结构时在组件连接处形成的残余应力。焊接是能源、交通、建筑及过程设备制造等领域中不可缺少的管道连接方法。金属的电弧焊接需要输入局部的、强烈的热，用于将熔融的填充金属在两个部件之间进行沉积，形成焊接材料与母材的熔合。这种情况下，焊料周围的材料将产生弹性、塑性和蠕变变形。当焊接区冷却时，在其周围会产生残余应力场。这是由于材料结构的约束、母体和焊接材料的收缩差以及不同材料的晶粒间的不匹配造成的。
工程机械中，焊接结构件较多，焊接过程中焊缝处金属急剧加热、快速冷却，远离焊缝处温度变化较小，温度梯度较大，由此产生不均匀塑性变形而导致热应力，同时，焊缝区金属组织发生转变将引起相变应力，使得焊缝区承受残余拉应力，远离焊缝区承受残余压应力。焊件横截面因各部分温度不一样产生的方向平行于焊缝轴线的应力称为纵向残余应力，方向垂直于焊缝轴线的应力称为横向残余应力。
3焊接残余应力消除方法
3.1振动时效法
振动时效法实现焊接应力的有效控制。即应用偏心轮与变速电动机构成激振器根据钢结构外形特征以及产生应力的实际情况，在应力产生部分给予适当的振动，从而使钢结构产生循环应力，实现构建内部残余应力的有效消除，提升构建结构的稳定性。
3.2间断焊接法
利用间断焊接法进行焊缝应力的有效控制。例如，在对钢结构进行电弧冷焊的过程中，对焊缝进行短时间多次数焊接，让构建始终处于冷却状态，从而降低热源过钢结构性能的影响，实现焊接应力的有效控制。该方法的缺点在于所需焊接工期相对较长，但焊接应力控制效果相对较好。
3.3超声波冲击强化
超声波冲击法消除残余应力的基本原理是以大功率超声波设备为动力源，推动冲击工具以20000次/s以上的频率冲击工件表面，使工件发生塑性变形，在工件表面形成压应力强化作用[5]。该方法使用方便、成本低、效率高、无污染，目前在钢结构焊件中运用十分广泛。该方法还可提高焊接处疲劳强度，抑制焊接裂纹，降低焊接区域的应力集中，稳定构件尺寸。该方法主要用来处理焊缝区域，尤其是焊接缺陷最多的焊趾部位，裂纹的扩展及应力集中区都集中在焊趾处。而超声波冲击利用超声波高频率、高能量的特点，瞬间提供的加速度达到重力加速度的上万倍，带动冲击针，对焊缝焊趾处实行敲击实现焊趾处的残余压应力，同时塑性变形会钝化尖端部位，闭合微观裂纹，改善焊趾处的焊接缺陷。超声波冲击强化可使钢制焊接接头疲劳强度提高60%～180%，寿命延长10～135倍。
3.4减小焊缝焊接的拘束度法
一般情况下，给予焊接构件的约束力越大，在焊接过程中构件所产生的焊接应力也就越大。对此，在焊接过程中，需根据钢结构实际情况，适当的降低焊缝处的约束力。例如，在对长构件进行焊接时，应避免在组装过程中进行焊缝焊接，同时进行板条拼接时需严格依据拼接工艺要求进行实践操作，并在焊缝焊接过程中，避免不能自行收缩问题的产生。在多大型构件进行焊接时，应根据实际情况对构建进行科学分解焊接，用以提升焊接简便性与准确性。
3.5喷丸处理法
喷丸处理法是将高速弹丸喷射到工件表面，使工件表层发生塑性变形，而形成一定厚度的强化层。强化层内形成较高的残余应力，由于工件表面压应力的存在，从而提高工件的疲劳强度。有研究表明，喷丸处理法对材料的抗拉强度没有明显影响，可使延伸率略有降低、表面硬度有所增高、冲击韧度略有下降，但能大幅提高循环载荷作用下金属的疲劳强度和耐应力腐蚀能力。不过喷丸处理法会使材料表面的显微组织结构发生变化，受喷表面变得粗糙。
3.6合理安排焊缝焊接顺序
即，在焊接过程中，应根据实际情况与要求适当的减小焊缝尺寸、焊缝坡口角度，从而降低焊缝横截面积对焊缝应力与焊缝变形存在的影响。同时，在焊缝设计过程中，避免焊缝应力集中现象的产生，可尽量采用双面焊接坡口的形式进行焊接实践操作。此外，在焊接过程中应遵循“先焊中间，后焊周边”的原则，进行实践操作。例如，在钢板拼接时，应该先对相互错开的短焊缝进行有效焊接，在进行长焊缝的焊接。在焊接長焊缝时，应从中间向两端进行依次收缩。
结束语
总而言之，实现焊接应力的有效控制，对提升焊接质量，促进焊接工艺优化发展具有重要现实意义。对此，在实际焊接操作过程中，相关工作人员需明确认知焊接应力与焊接变形影响因素，根据现场条件与焊接要求、焊接结构采用行之有效的焊接方法与控制措施，实现焊接应力与焊接变形的有效控制，提升焊接科学性、准确性、精准性。
参考文献
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